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미국 방재규정의 이해 (3)

- 스프링클러설비 설치기준 -

글 유호정
KFPA 조사연구팀 과장, 미국소방기술사(FPE)



1. 머리말

미국의 스프링클러설비 설치기준에 관하여 이야기하기 전에 무엇이 미국의 기준인지를 알아야 할 것이다. 이 연재물의 이전 글에서 언급했던 것처럼 미국의 건축, 소방 등의 법규는 각각의 주정부 또는 지방자치정부에서 일정 요건을 갖춘 인증된 기준을 채택(adoption)하는 시스템이다. 간략히 설명하면 미국 모든 주에서 채택하고 있는 미국건축법 IBC에서 스프링클러 설치 시 NFPA 13에 의거하여 설치하도록 규정하고 있기 때문에 자동적으로 미국 전역에서 NFPA 13 기준을 따르게 되는 것이다. 이하 미국 스프링클러설비 설치기준인 NFPA 13의 기원과 발전, 그리고 주요 내용에 대한 국내 기준과 비교를 통해 설명하고자 한다.

2. NFPA 13의 탄생과 발전


가. 기원
대형화, 고층화되고 복잡하게 연결되는 현대 건축물에서 핵심적인 화재진압 설비는 자동식 스프링클러 설비이다. 미국에서 이 설비의 기원은 19세기 후반 뉴잉글랜드 지방에서 시작된다. 1874년 Henry S.Parmelee가 자신의 피아노제조공장인 Mathushek Piano Factory에 화재에 반응하여 물을 분출하는 소화설비를 설치한 것이 그 시작이다.1)[그림 1] 참조
산업혁명의 성숙에 따라 공장의 규모가 커지며 이에 수반하여 대규모 화재 등의 발생이 빈번해지면서 이러한 초기 형태의 스프링클러 설비들이 미국의 뉴잉글랜드 지방의 공장들에 설치되면서 이것들이 발전하여 현대적인 스프링클러설비의 태동이 되었다. 자생적으로 필요에 의해 개발되어 온 스프링클러 설비에 대한 좀더 체계적인 표준이 필요함을 느낀 생산업체, 관할기관, 보험회사, 산업계 관계자들이 모여 일련의 회의를 통해 1896년 합의된 하나의 스프링클러설치기준을 제정하게 이르렀고, 이러한 회합이 현재 360여개 화재안전기준을 만드는 미국방화협회(NFPA)의 태동을 만든 마중물이 되었다. 1896년에 모인 전문가들은 자동식 스프링클러설비가 소화장치로서의 가치가 입증되고 있음에도 불구하고, 너무나 다양한 방식으로 설치되고 있다는 문제를 인식하였고 이를 해결하기 위한 회의를하고 그 합의사항을 문서로 도출하고 향후 지속적인 협의를 가지기로 한 것이 현재의 NFPA가 된 것이다.

[그림 1] Parmelee가 발명하여 특허받은 스프링클러헤드 개념도, 비스무트(Bi) 합금을 덮개로 하여 약 71℃정도에서 녹게 되도록 함. (US patent No. 218564) 출처: explainthatstuff
1) NFPA 13 2010년판 스프링클러핸드북 부록 1, 스프링클러 헤드, 설비 및 NFPA 스프링클러기준의 역사적 개요


나. 누가 만드는가?
위에서 언급한 미국의 비영리 단체인 미국방화협회(National Fire Protection Association)에서 NFPA 13의제정 및 개정을 주도하고 있다. NFPA는 분야별로 기술위원회(technical committee)를 두고 자발적인 기술전문가 그룹의 참가를 통해 지속적인 개정작업을 하는 시스템을 만들고 유지하는 기관이다. NFPA 13은‘Automatic Sprinkler Systems 기술위원회’가 주관하여 개정작업을 하고 있다. 원래 명칭이 Rules and Regulations of the National Board of Fire Underwriters for Sprinkler Equipments, Automatic and OpenSystems였던 NFPA 13은 1896년판을 시작으로 2013년판까지 50여번의 개정을 거쳐 발전하고 있으며, 현재 2016년판의 개정작업을 진행중이다.

다. 누가 쓰는가?
NFPA 13은 완성도, 공정성, 정기적 개정으로 인해 전세계적으로 신뢰받는 기준이므로 미국뿐만 아니라 전 세계적으로 활용되고 있다고 볼 수 있다. 세계적인 초고층 건물, 다국적 기업 산업시설의 소방설비 등에 이 기준이 적용되고 있다. 한국에서는 의무기준이 아니지만, 초고층건물 설계, 석유화학 플랜트, 전 세계 미군기지 건물 설계 등에 NFPA 13이 반영되어 스프링클러설비의 설계가 이루어지고 있다. NFPA의 노력과 폭넓은 네트워크를 통하여 NFPA 13은 아랍에미레이트, 파나마, 칠레 그리고 이스라엘 같은 국가들에서 기준으로 채택되었다. 더 나아가 NFPA 13에 따라 설계된 스프링클러설비는 아르헨티나, 오스트레일리아, 브라질 중국, 콜롬비아, 인도네시아, 니카라구아, 그리고 사우디아라비아, 코스타리카, 두바이, 말레이시아 및 싱가폴 같은 국가들에서 수용 및 인정되고 있다.2)
1995년부터 NFPA와 한국어판 독점 저작권 협약을 맺고 있는 KFPA에서는 소방기술인들의 이해를 돕기 위해 NFPA 13 스프링클러설비 핸드북3) 한국어판을 발간하여 판매하고 있다.

3. NFPA 13의 주요 내용


500페이지 가까이 되는 방대한 내용의 NFPA 13에 대해 설명한다는 것은 지면상 한계가 있으므로 필자의 실무경험과 관점에서 볼 때 국내 기준과의 큰 차이를 보이는 중요사안 위주로 소개하여 독자들의 이해를 도우려 한다.

가. 설치 대상(용도)
미국 건축법의 경우 용도 및 재실자의 특성에 따라 건축물 공간의 용도분류를 한 후, 이에 대한 내화부재성능의 요건과 면적, 높이의 제한, 스프링클러설치 등에 대한 규정 등이 정해진다. ‘IBC 903.2 Where required’에서는 스프링클러설비를 설치해야 하는 건물의 대상에 대해 명시하고 있다.

2) NFPA 13 핸드북 부록 4, 국제적 관점에서 본 자동식 스프링클러설비, Russel Flemming
3) 이러한 핸드북은 NFPA 주요 기준에 대해서 발행되는 서적으로, 각 기준과 그에 대한 해석, 설명자료를 첨부하여편 집된 기술참고서적이다.


(1) 높이에 따른 설치 장소
미국 건축법(IBC)에서는 소방차가 접근할 수 있는 최저 위치에서 16.8미터 이상의 층이 30명 이상의 재실자 하중(occupantload)을 가진 경우, 그 건물 전체에 스프링클러를 설치해야 한다. 즉 소방차가 소화활동을 하기 어려운 높은 위치에 30명 이상이 수용되는 층이 있는 경우에는 건물 전체에 자동소화설비를 설치하여 방호한다는 개념이라고 이해할 수 있다.

(2) 용도별 설치 대상 예(집회용도)
IBC에서는 각 용도별로 일정면적 또는 요건에 해당하는 경우 스프링클러를 설치하도록 하고 있으며, 예를 들어 공연장, 교회, 극장 등 많은 사람들이 일시에 모이는 장소인 Asssembly(집회) occupancy에서는 아래와 같이 설치를 의무화하고 있다.

<표 1> 집회용도에서의 스프링클러설치 대상

나. 장소별(용도별) 위험등급 분류
NFPA 13의 ‘5.1 용도분류’ 에서는 설치장소의 화재하중 및 위험도에 따라 용도분류를 5가지로 하여 해당 설치장소의 위험도에 따라 살수밀도에 차등을 두는 것으로 위험도를 반영하는 설계를 하도록 하고 있다. NFPA 13에서는 그 예시를 아래와 같이 하고 있고 이것이 절대적인 기준은 아니다.
  • (1) 경급위험용도(light hazard) 그룹
    예: 교회, 교육시설, 병원, 공공기관, 서고를 제외한 도서관, 박물관, 보육원, 요양원, 사무실, 주거시설, 식당, 무대부를 제외한 극장 및 콘서트홀 등
  • (2) 중급위험용도(Ordinary hazard) 그룹 1
    예: 주차장, 상품진열대, 제과점, 주류공장, 전자제품공장, 세탁소, 식당의 주방
  • (3) 중급위험용도(Ordinary hazard) 그룹 2
    예: 화학플랜트 , 제과공장 , 증류처리 , 드라이클리닝, 도서관의 서고, 상점, 우체국, 차량 정비
  • (4) 상급위험용도(Extrad hazard) 그룹 1
    예: 항공기격납고, 다이캐스팅, 합판 제조
  • (5) 상급위험용도Extrad hazard) 그룹 2
    예: 인화성액체 도장, 플로우코팅, 플라스틱 생산시설 등

4) 일종의 방화구획된 공간의 면적을 의미
5) 각 용도별로 Occupant load factor가 있어 1인당 수용 면적이 정해진다. 예를 들어 Assembly without fixed seats, standing space의 경우 5ft2/person이다.(IBC Table 1004.1.2)


다. 살수밀도 설계
위에서와 같이 용도를 5가지로 분류하여 각 용도별로 살수밀도를 다르게 설계하도록 한다. 즉 위험이 높을수록 많은 양의 물을 쏟아내게 설계하여 성능위주적 설계를 간접적으로 적용하고 있다. [그림 3]에서 보면 설계면적(Area of sprinkler design)과 살수밀도(density)가 반비례하도록 한 직선 내의 범위에서 살수밀도와 면적을 선택하도록 하고 있다.6)
국내 규정과 비교해보면, NFSC에서는헤드의 수평거리기준을 몇몇 용도에 적용하여 간접적으로 살수밀도에 차등을 두는 방식이 <표 2>와 같이 존재한다. 그런데 이것은 몇몇 용도만 특정했을 뿐 전체적인 용도별 차등 기준은 아니다. 또한 국내 NFSC 103에서 규정하는 ‘기준개수’는 수원산정시 기준이 되고, 위험등급별 살수밀도에 차등을 두는 것은 아니다. 한국과 미국의 이러한 설계기준상의 살수밀도를 비교해 보면 [그림 4]와 같다.
[그림 3] NFPA 13의 위험용도별 살수밀도/면적 곡선(NFPA 13, 그림 11.2.3.1.1)

<표 2> 위험용도별 헤드 수평거리기준【NFSC 103 제10조】
[그림 4] (한)NFSC 103과 NFPA 13의 위험용도 별 살수밀도 비교[단위: mm/min(LPM/㎡)]】
6) 필자의 경험상 실제 설계시에는 대부분 최소 설계면적 지점에서의 살수밀도를 선택하고 있다.


라. 특수 용도에 대한 설계기준
NFPA 13에서는 제 12장부터 21장에서 일반창고, 랙크식 창고, 타이어 창고 등 가연물 하중이 높고 화재진압이 어려울 수 있는 시설의 방호를 위한 스프링클러설계에 대해 상세히 기술하고 있다. 예를 들어 고무타이어 창고에 대해서는 18장에서 기술하고 있는데, 최소 3시간 이상의 설비 가동시간과 함께, 타이어 적재방식 등에 따라 여러 가지 살수밀도를 제시하고 있다.[표 3] 참조
이러한 세부 설계사양은 NFPA 산하 미국방화연구재단이 FM global(미국 공장상호공제조합) 등과의 협력 및 실제 시험 등을 통해 적절한 살수밀도, 헤드 배치 등을 정하는 것으로 현재 우리나라에서도 설계에 참고하고 반영하여 활용할 수 있는 신뢰성 있는 자료라고 할 수 있다.

<표 3> 타이어 적재방식 및 적재높이 등에 따른 살수밀도[NFPA 13 표 18.4(a) 일부


마. 설비 작동시간
NFPA는 위험수준에 따라 경급은 30분 이상, 중급은 60~90분, 상급은 90분~120분 동안 설비가 작동할 수 있도록 급수량을 설계하도록 하고 있다. 국내의 경우는 20분을 기준으로 하여 고층건물인 경우 40분, 60분으로 연장하여 높은 건물인 경우에 기준을 강화하고 있다.
<표 4> NFPA 13 표 11.2.3.1.2 수리학적으로 계산된 설비에 대한 호스 주수량 및 급수지속시간 요건


바. 2차 수원 설치
NFPA 13 에는 2차수원에 대한 구체적 규정이 없으며, ASCE 7에서 분류하는 지진 위험지역(Seismic design Catagory C, D, E, F) 일 때 30분 이상의 2차수원을 설치하도록 미국건축법(IBC)에서 규정하고 있다. (IBC 903.3.5.2 Secondary water supply) 이는 대부분의 경우 1/3 이상의 2차수원을 설치하도록 하는 국내와 다른 점이다.
[그림 5] 지진 버팀대 계산 실례(NFPA 13 그림 A.9.3.5(b))
7) 짧은 시간으로 설계하기 위해서는 중앙방재센터 등에서 유수경보장치를 모니터링 할 수 있을 때 허용된다.


사. 내진설계
NFPA 13의 9.3에서는 스프링클러 배관의 내진설계기준에 대해 나와 있다. 물론 내진설계를 항상 하는 것이 아니라, ASCE 7 등에서 지정하는 경우, 발주처에서 요구하는 경우 등 필요한 경우에만 적용한다. 한국은 현재 법안을 개정하고 2016년부터 스프링클러 설비 등에 대해 내진설계를 의무화할 계획이다.[그림 5] 참조

4. 한국 기준과의 비교


지금까지 논의한 주요 사안에 대해 국내기준과 간략하게 비교해 보면 아래 <표 5>와 같다.

<표 5> 미국과 한국의 스프링클러설치 기준 비교

5. 맺음말


지금까지 미국 스프링클러설비 설치기준에 대해 간략하게 알아보았다. 필자가 생각하는 NFPA 13의 핵심은 용도의 위험성, 가연물의 종류 및 하중에 따라 유연한 설계기준을 제시하는 것이라고 생각한다. 그리고 그러한 ‘안’을 도출하기 위해서 미국의 관련 전문가 집단이 자발적으로 모여 논의하고 지속적으로 개정작업을 진행하고 있다는 사실이 시사하는 바가 크다.

[참고자료]
IBC 2012 handbook, ICC
NFPA 13 자동식스프링클러핸드북, KFPA
Building Code illustrated, Ching